冷彎厚壁鋼管截面不同部位材料特性分布模型

沈祖炎， 溫東輝， 李元齊， 馬越峰

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3. 太原學(xué)院 建筑工程系，山西 太原 030032；4. 上海寶鋼型鋼有限公司，上海 200050)

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冷彎厚壁鋼管截面不同部位材料特性分布模型

沈祖炎1,2， 溫東輝1,3， 李元齊1,2， 馬越峰4

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3. 太原學(xué)院 建筑工程系，山西 太原 030032；4. 上海寶鋼型鋼有限公司，上海 200050)

摘要：對(duì)取自30種不同截面、不同厚度、不同鋼材型號(hào)、不同廠家生產(chǎn)的冷彎厚壁矩形和方形鋼管的568個(gè)試件進(jìn)行了材料性能試驗(yàn)研究.結(jié)果表明：焊縫部位的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度相對(duì)于鄰邊均有提高；角部屈服強(qiáng)度提高系數(shù)隨型鋼中心線長(zhǎng)與彎角內(nèi)徑之比的增大而增大，而各參數(shù)對(duì)極限強(qiáng)度的影響較??；焊縫兩鄰邊間的強(qiáng)度差異很小.基于研究結(jié)果，提出了冷彎矩形和方形鋼管屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、強(qiáng)屈比和伸長(zhǎng)率沿截面的分布模型.當(dāng)相應(yīng)冷彎型鋼截面的梁、柱強(qiáng)度和穩(wěn)定分析中需要考慮冷彎效應(yīng)的影響時(shí)，可以應(yīng)用此分布模型.

關(guān)鍵詞：冷彎厚壁鋼管； 材性試驗(yàn)； 屈服強(qiáng)度； 冷彎效應(yīng)； 材料特性

冷彎型鋼在國(guó)際上是建筑鋼結(jié)構(gòu)的主要用材之一，已被廣泛應(yīng)用于低多層工業(yè)廠房、住宅及商用建筑等[1-3].與熱軋型鋼相比，冷加工可以方便地得到各種截面形狀，進(jìn)而獲得令人滿意的強(qiáng)度重力比[4].但是，冷加工使冷彎型鋼的力學(xué)性能與冷彎前的鋼板有了顯著區(qū)別：提高了屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度之比會(huì)增加；降低了材料的塑性、沖擊韌性和延伸率；沿型鋼截面各點(diǎn)產(chǎn)生了大小不等的冷彎殘余應(yīng)力.

國(guó)外對(duì)冷彎構(gòu)件的研究較早，主要集中于厚度在6 mm以下的冷彎型鋼構(gòu)件.Karren等[5-6]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，彎角部位的屈服強(qiáng)度有較大提高，并且認(rèn)為角部屈服強(qiáng)度的增加取決于母材的強(qiáng)屈比和彎角內(nèi)半徑與平板厚度之比.Abdel-Rahman 等[7]總結(jié)了國(guó)外1997 年以前關(guān)于冷彎構(gòu)件材性的試驗(yàn)結(jié)果，提出了針對(duì)國(guó)外鋼材和當(dāng)時(shí)冷加工工藝的冷彎材料分析模型，但主要適用于厚度在6 mm以下的槽型冷彎型鋼和采用先圓后方加工工藝得到的方管.金昌成[8]在計(jì)算冷彎型鋼棱角部分屈服強(qiáng)度公式基礎(chǔ)上得到全截面屈服強(qiáng)度及設(shè)計(jì)強(qiáng)度的計(jì)算公式，原則上對(duì)厚薄壁冷彎型鋼均適用，但由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)厚壁冷彎型鋼的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，對(duì)厚壁冷彎型鋼的準(zhǔn)確度尚需進(jìn)一步驗(yàn)證.

冷彎硬化過程使鋼材屈服強(qiáng)度顯著提高，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理地考慮屈服強(qiáng)度的提高，將會(huì)減少材料用量，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益.國(guó)內(nèi)外規(guī)范[9-12]允許利用冷加工引起的強(qiáng)度提高，并給出了適用于6 mm以下薄壁型鋼考慮冷彎效應(yīng)時(shí)的全截面屈服強(qiáng)度計(jì)算公式.對(duì)6 mm以上冷彎鋼管的冷彎效應(yīng)，不同學(xué)者[13-14]進(jìn)行了一定的研究，但仍比較有限，尚需就不同廠家、鋼材等級(jí)、截面形式、成型方式及厚度范圍進(jìn)行具有一定代表性的試驗(yàn).為此，本文對(duì)壁厚為8～16 mm，邊長(zhǎng)為86～500 mm，鋼號(hào)為Q235B和Q345B以及不同廠家生產(chǎn)的“直接成方”冷彎厚壁鋼管的平板部位、彎角部位和焊縫部位進(jìn)行系統(tǒng)的材性試驗(yàn)研究.基于試驗(yàn)結(jié)果，給出了材料特性沿鋼管整個(gè)截面的分布模型，為這類鋼管進(jìn)一步的理論分析和工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ).

1　冷彎厚壁鋼管材性試驗(yàn)

1.1試件選取

材性試驗(yàn)的試件在冷彎鋼管上的位置如圖1所示.其中，試件F1～F3取自平板，試件W1包含焊縫，試件C1～C4取自角部.鋼管考慮不同截面尺寸和強(qiáng)度等級(jí)，每種鋼管重復(fù)取樣2或3次，進(jìn)行材性試驗(yàn)的鋼管規(guī)格如表1所示.共加工平板試件288個(gè)，彎角試件280個(gè)，合計(jì)568個(gè).方、矩形鋼管為上海寶鋼型鋼有限公司和武鋼集團(tuán)漢口軋鋼廠生產(chǎn)的Q235B和Q345B冷彎鋼管.本文試驗(yàn)中所選用的方、矩形鋼管采用“直接成方”工藝，即由母材卷板經(jīng)輥軋壓彎成型后，用單縫高頻對(duì)焊而成，高頻焊縫均位于矩形鋼管的短邊.在選擇鋼管時(shí)，綜合考慮了鋼材強(qiáng)度、鋼管形狀、截面尺寸及壁厚等因素.

圖1　材性試件的位置

表1　材性試驗(yàn)的鋼管規(guī)格

所有試件均按《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)[15]規(guī)定制作.

方、矩形鋼管的試件命名原則為：A/B/C-鋼材等級(jí)-截面類型代號(hào)-鋼管截面長(zhǎng)邊尺寸-厚度-試件編號(hào).其中，A、B、C代表重復(fù)試件；鋼材等級(jí)Q1、Q2分別表示試件取自Q235B和Q345B的鋼管；截面類型代號(hào)S、R分別代表方鋼管和矩形鋼管；編號(hào)W1、F1～F3、C1～C4分別表示帶焊縫試件、無焊縫平板試件和角部試件，典型試件命名原則見圖2a.平板試件沿鋼管長(zhǎng)度方向選取，試件尺寸如圖2b所示，圖中過渡段圓弧半徑根據(jù)現(xiàn)有加工器械取R=30～45 mm,t為管壁實(shí)際厚度，彎角部位的材性試驗(yàn)采用沿鋼管長(zhǎng)度方向選取的圓弧試件進(jìn)行試驗(yàn)，見圖2c.

a 典型試件命名原則

b 平板/焊縫材性試件

c 角部材性試件

1.2試驗(yàn)過程

平板試件的試驗(yàn)在上海金藝材料檢測(cè)技術(shù)有限公司的Zwick/Roell Z400E材性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)速率按《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)[15]的相關(guān)規(guī)定采用.試驗(yàn)采用平板夾具，并用電子引伸計(jì)全程記錄標(biāo)距段伸長(zhǎng)量，以得到各試件從拉伸直至破壞全過程的荷載-應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)而反映出材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.試驗(yàn)過程及斷口見圖3和4.

a頸縮階段b斷裂階段

圖3平板試件試驗(yàn)過程

Fig.3Test procedure of flat coupons

彎角試件的試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)建筑工程系實(shí)驗(yàn)室的材性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.為了受力均勻及便于夾持，試驗(yàn)前將彎角試件的兩端打磨平整.采用在試件中點(diǎn)處內(nèi)外表面各粘貼一個(gè)應(yīng)變片來記錄試件的應(yīng)變值.彎角試件的試驗(yàn)過程如圖5所示.試件的斷口情況如圖6所示.

a平板試件斷口b帶焊縫試件斷口

c 同一截面所有平板試件

a頸縮階段b斷裂階段

圖5彎角試件試驗(yàn)過程

Fig.5Test procedure of corner coupons

圖6　彎角圓弧試件斷口

1.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線

a 平板試件

b 彎角試件

2　材性試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1焊縫鄰邊平板

強(qiáng)屈比γp是衡量鋼材強(qiáng)度儲(chǔ)備的一個(gè)系數(shù)，強(qiáng)屈比越大，鋼材的安全儲(chǔ)備愈大[17].從表2可見，F(xiàn)1/F3邊均值的強(qiáng)屈比對(duì)Q235B和Q345B鋼分別為1.383 和1.389.圖8給出F1/F3邊強(qiáng)屈比隨型鋼中心線長(zhǎng)度(取型鋼截面積與其厚度的比值)與彎角內(nèi)徑之比L/R、寬厚比b/t以及彎角內(nèi)徑與厚度之比R/t的關(guān)系.

由圖8可得：① 對(duì)Q235B和Q345B鋼材，冷彎型鋼平板部位強(qiáng)屈比達(dá)不到規(guī)范給定的1.58和1.48值;② 冷彎型鋼平板部位強(qiáng)屈比與截面寬度和周長(zhǎng)有關(guān)，且隨著寬度和周長(zhǎng)的增大而增大.這是因?yàn)榻孛嬖綄挶硎句摴艹叽缭酱?，此時(shí)進(jìn)行冷加工比小截面的鋼管更容易，從而對(duì)截面造成的影響更小.因此，屈服點(diǎn)提高的程度小一些.

表2　焊縫兩鄰邊強(qiáng)度差異系數(shù)及均值

a γp隨L/R的變化

b γp隨b/t的變化

c γp隨R/t的變化

2.2焊縫對(duì)邊平板

隨b/t的變化

隨b/t的變化

Fig.9Relation between strength enhancement factors of the sides opposite the weld and width to thickness ratiob/t

從圖9分析可得：①焊縫對(duì)邊平板屈服強(qiáng)度提高系數(shù)隨寬厚比的增大而減??；②焊縫對(duì)邊平板極限強(qiáng)度除了1個(gè)異常點(diǎn)外，其他比鄰邊極限強(qiáng)度提高很少，最大值僅為5.0%，均值為1.1%.可以認(rèn)為焊縫對(duì)邊平板的極限強(qiáng)度與鄰邊的相同，并且與寬厚比無關(guān).

2.3帶焊縫平板

2.4角部

從圖10～12分析可得：①角部屈服強(qiáng)度提高系數(shù)隨型鋼中心線長(zhǎng)與彎角內(nèi)徑之比L/R的增大而增大，與彎角徑厚比R/t和型鋼中心線長(zhǎng)與厚度之比L/t的關(guān)系不明顯；②角部極限強(qiáng)度的提高與彎角徑厚比R/t和型鋼中心線長(zhǎng)與厚度之比L/t關(guān)系不明顯.

2.5分布模型

結(jié)合材性試驗(yàn)研究結(jié)果，可以提出截面上不同位置的強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能的分布模型.

方、矩形鋼管截面的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、強(qiáng)屈比和伸長(zhǎng)率沿截面的分布模型見圖13.圖中，字母b和h分別表示鋼管截面的寬和高，R是彎角的內(nèi)徑，其計(jì)算公式為R=1.2t，r是彎角的外徑.由圖可見，角部的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度比焊縫鄰邊平板處均有較大提高，提高率分別為42%和15%；而伸長(zhǎng)率明顯降低，降低率為44%.圖中fy和fu是焊縫鄰邊的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度.焊縫鄰邊的屈服強(qiáng)度fy和極限強(qiáng)度fu在鋼管成型過程中也會(huì)受冷彎效應(yīng)的影響，較原材料的值有所提高，由于無法得到與試件一一對(duì)應(yīng)的原材料，因此無法得到與每根試件焊縫鄰邊屈服強(qiáng)度fy和極限強(qiáng)度fu的提高值.但是考慮到材性試驗(yàn)的試件取自30根不同截面和2個(gè)大型主要生產(chǎn)鋼管廠所生產(chǎn)的鋼管的不同部位，合計(jì)144個(gè)試件，具有相當(dāng)?shù)臄?shù)量和很好的代表性，因此fy的提高系數(shù)可由試件的fy平均值與原材料屈服強(qiáng)度fym平均值的比值得到.焊縫鄰邊屈服強(qiáng)度fy的平均值可由表2得到，Q235B的fy=330.82 MPa，Q345B的fy=382.92 MPa.原材料屈服強(qiáng)度fym的平均值可由表4[19]得到，Q235B的fym=301.9 MPa，Q345B的fym=388.7 MPa.這樣，焊縫鄰邊屈服強(qiáng)度fy冷彎效應(yīng)的提高系數(shù)Q235B為1.095 8，Q345B為1.000 0.另外，由于角部屈服強(qiáng)度提高，導(dǎo)致角部強(qiáng)屈比減小為1.12.各截面的伸長(zhǎng)

表3　帶焊縫邊、焊縫對(duì)邊及角部強(qiáng)度相對(duì)于焊縫鄰邊的提高系數(shù)

隨R/t的變化

隨R/t的變化

隨L/R的變化

隨L/R的變化

隨L/t的變化

隨L/t的變化

a 屈服強(qiáng)度

b 極限強(qiáng)度

c 強(qiáng)屈比

d 伸長(zhǎng)率

率具體值見表5，其中δ(F)、δ(W)、δ(C)分別表示F1/F3邊、W邊和角部的伸長(zhǎng)率.

表4　鋼材屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3　結(jié)論

(1)在方、矩形冷彎鋼管加工過程中，兩鄰邊處于完全對(duì)稱的位置，受到的冷加工程度大致相同，可認(rèn)為焊縫兩鄰邊間的強(qiáng)度差異很小，可用兩鄰邊的平均值作為平板部位的代表值.

(2)對(duì)Q235B和Q345B鋼材，冷彎型鋼平板部位強(qiáng)屈比達(dá)不到規(guī)范給定的1.58和1.48值.

表5　伸長(zhǎng)率匯總

(3)焊縫對(duì)面平板屈服強(qiáng)度提高系數(shù)隨寬厚比的增大而減小；焊縫對(duì)面平板的極限強(qiáng)度與鄰邊的相同，并且與寬厚比無關(guān).

(4)焊縫的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度提高系數(shù)的平均值分別為38.63%和14.88%.

(5)角部屈服強(qiáng)度提高系數(shù)隨型鋼中心線長(zhǎng)與彎角內(nèi)徑之比L/R的增大而增大，與彎角徑厚比R/t和型鋼中心線長(zhǎng)與厚度之比L/t的關(guān)系不明顯；角部極限強(qiáng)度的提高與這3個(gè)參數(shù)無關(guān).

(6)基于試驗(yàn)結(jié)果，得到了方、矩形鋼管截面的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、強(qiáng)屈比和伸長(zhǎng)率沿截面的分布模型.

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收稿日期：2016-05-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51178330)

通訊作者：溫東輝(1982—)，女，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)槔鋸澬弯摻Y(jié)構(gòu)抗震性能. E-mail:wendh9@163.com

中圖分類號(hào)：TU391；TU392.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Distribution Patterns of Material Properties for Cross-section of Cold-formed Thick-walled Steel Rectangular Tubes

SHEN Zuyan1,2, WEN Donghui1,3, LI Yuanqi1,2, MA Yuefeng4

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China; 2. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. Department of Structural Engineering, Taiyuan University, Taiyuan 030032, China; 4. Shanghai Baosteel Steel Co., Ltd., Shanghai 200050, China)

Abstract：Five hundred and sixty eight test coupons taken from thirty cold-formed thick-walled steel square and rectangular tubes with different sizes of sections, thickness of plates, grades of steel and different manufacturers were tested to investigate the effects of cold-forming process on the material properties of different parts of sections. The test results indicate that the cold-forming effects have obvious influence on the strength and ductility of cold-formed thick-walled sections. The difference of material properties between two adjacent plates connected to the plate containing weld can be ignored. The yield and tensile strength of weld portion and corner parts are enhanced compared with the adjacent plates. The yield strength enhancement factors of corner parts increase with the increase of the ratio of the length of centerline to the inside diameter of corners, but the enhancement factors for tensile strength are independent on the respective parameters. Based on the investigation, distribution patterns of yield strength, tensile strength, tensile to yield ratio and percentage elongation of cold-formed thick-walled steel rectangular hollow sections were proposed, which can be used for strength and stability analysis of corresponding beams and columns, while the cold-forming effects are to be taken into account.

Key words：cold-formed thick-walled tubular; material test; yield strength; cold-forming effect; material property

第一作者： 沈祖炎(1935—)，男，教授，中國(guó)工程院院士，主要研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu). E-mail:zyshen@#edu.cn